康迂福，馮 桑，陳 愛(ài)

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源 517000）；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510090）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和百姓生活水平的提高，國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)不斷壯大，越來(lái)越多的汽車進(jìn)入普通家庭，每年新增大量駕駛員。汽車保有量的劇增，新增駕駛員的駕駛技術(shù)方面不夠嫻熟，使得交通事故的發(fā)生率大大提高，其中最為突出的就是汽車的碰撞。現(xiàn)有的車輛防碰撞系統(tǒng)只有停留在低速狀態(tài)下基于超聲波雷達(dá)的研究，其他防碰撞系統(tǒng)都由于其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能等原因而沒(méi)能普及。對(duì)交通事故應(yīng)該盡量做到防患于未然，本文所研究的車輛防碰撞系統(tǒng)是一種主動(dòng)式車輛事故規(guī)避系統(tǒng)，能夠大量減少車輛碰撞事故，提高行車安全性。

1 測(cè)距原理

目前測(cè)距技術(shù)，主要采用超聲波、紅外線和激光測(cè)距。其原理基本相似，測(cè)距是對(duì)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)或一列很窄的脈沖，通過(guò)測(cè)量脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)反射返回到接收系統(tǒng)的時(shí)間計(jì)算出目標(biāo)的距離。設(shè)目標(biāo)距離為S0，脈沖往返時(shí)間為t，測(cè)量脈沖在真空中的傳播速度為v（在空氣中傳輸受介質(zhì)、氣壓、溫度、濕度的影響可忽略），則目標(biāo)距離為：

在脈沖測(cè)距中，t通常是通過(guò)測(cè)距計(jì)數(shù)器對(duì)從發(fā)射脈沖到目標(biāo)并從目標(biāo)返回到接收系統(tǒng)期間，累計(jì)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量的。

設(shè)在t 時(shí)間內(nèi)，有N 個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，則目標(biāo)距離可由式（2）計(jì)算：

2 防撞系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文研究汽車自動(dòng)防撞系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)功能原理，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警以及執(zhí)行制動(dòng)若干個(gè)部分。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 ABS制動(dòng)距離算法與建模

汽車制動(dòng)距離是指對(duì)行駛中的汽車實(shí)施緊急制動(dòng)，從踏制動(dòng)踏板開始到完全停車為止，汽車所駛過(guò)的路程，即汽車需要緊急停車時(shí)，其行車制動(dòng)系所能實(shí)現(xiàn)的最小停車行程[2]。

ABS（Anti-lock Braking System防抱死制動(dòng)系統(tǒng)），其作用是在汽車制動(dòng)時(shí)，防止車輪抱死，防止汽車在緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏，以提高汽車制動(dòng)過(guò)程中的行駛穩(wěn)定性的汽車安全控制系統(tǒng)。

圖2 控制單元工作流程圖

從制動(dòng)時(shí)刻開始，制動(dòng)距離S、行駛速度vt，制動(dòng)阻力f，車輪與地面的摩擦系數(shù)之間的關(guān)系分別為[3-4]：

在地面附著系數(shù)φ 與汽車行駛過(guò)程中的滑移率s 決定，通過(guò)文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果，φ-s 的關(guān)系可用圖3所示曲線描述。

綜合算式（3）～（6）和圖3，可以得到ABS制動(dòng)距離的計(jì)算模型如圖4所示。

該ABS 算法模型中設(shè)置車身參數(shù)，并將行駛過(guò)程中其他參數(shù)理想化之后，在模型中輸入Initial Vehicle Speed v0（行車速度v0）后，經(jīng)過(guò)計(jì)算便可得到Stopping Distance（制動(dòng)距離S0）。

圖3 附著系數(shù)和滑移率曲線

圖4 制動(dòng)距離算法模型

4 系統(tǒng)建模及仿真分析

根據(jù)行車的實(shí)時(shí)速度，可以得到一個(gè)在該車況下的ABS 制動(dòng)距離S0。再將S0作為參考值，與激光傳感器獲取的行車與障礙物間的距離S 進(jìn)行比較，當(dāng)S ≤SS·S0（其中SS為安全系數(shù)）時(shí)，單片機(jī)向ECU 發(fā)出指令。當(dāng)ECU 接收到指令時(shí)，ECU立即啟動(dòng)ABS進(jìn)行制動(dòng)。

因此，基于Matlab/Simulink 的建模，得到整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

首先通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)線性信號(hào)，模擬激光測(cè)距系統(tǒng)傳送距離值，通過(guò)分析計(jì)算出此時(shí)的行駛車速。筆者設(shè)定初始速度為80 km/h的速度行駛，并且計(jì)算出在此行駛初速度下需要的最小制動(dòng)距離S0，當(dāng)實(shí)際行車與障礙物的距離小于最小制動(dòng)距離S0的時(shí)候，單片機(jī)（MCU）向ECU 發(fā)出信號(hào)，要求ECU啟動(dòng)ABS制動(dòng)。

圖6 行車與障礙物距離

5 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

行車以80 km/h的初速度行駛過(guò)程中，當(dāng)距離障礙物60 m時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到了前方有障礙物，并計(jì)算出制動(dòng)距離S0，當(dāng)行車與障礙物距離為SS·S0時(shí)（SS為制動(dòng)距離安全系數(shù)），系統(tǒng)開始啟動(dòng)ABS進(jìn)行制動(dòng)，并且隨之汽車開始減速，直至汽車完全停止。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的大量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，Jetta GTX轎車的實(shí)車緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其制動(dòng)距離與制動(dòng)初速（試驗(yàn)車速范圍：30～80 km/h）的關(guān)系（擬合公式）為：

式（7）中，S—制動(dòng)距離（m）；v—制動(dòng)初始速度（km/h）。

結(jié)果表明，在一定誤差范圍內(nèi)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。通過(guò)該模型，根據(jù)行車初始速度計(jì)算制動(dòng)距離，并做出預(yù)測(cè)，能非常有效地減少汽車行駛碰撞事故。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)基于Matlab/Simulink 的建模仿真，對(duì)ABS 制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ABS 的實(shí)時(shí)控制功能。在同一模型上，進(jìn)行了車速與制動(dòng)距離的仿真，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)模型在理論計(jì)算上能夠有效的實(shí)現(xiàn)防撞功能，從一定程度上減少交通事故的發(fā)生和損失。

（2）本系統(tǒng)模型基于干燥良好路面上進(jìn)行計(jì)算分析，得到的模型會(huì)有一定局限性。下一步研究將綜合考慮影響汽車制動(dòng)距離的各種因素，改進(jìn)制動(dòng)距離模型算法，提高系統(tǒng)精度。

［1］劉巖川，王玲芬，欒慧，等.基于激光測(cè)距技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：96-98.

［2］王萬(wàn)平，李強(qiáng)，廖勝.固定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)單站被動(dòng)測(cè)距［J］.紅外與激光工程，2008，37（1）：185-188.

［3］GB12676-1999.汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法［S］.

［4］吳誥珪，趙克剛，范剛，等.附著系數(shù)-滑移率曲線的測(cè)定［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，（29）9：20-22.

［5］王潤(rùn)琪，蔣科軍.ABS 汽車制動(dòng)距離分析與計(jì)算［J］.中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（2）：70-74.

［6］羅新聞.汽車ABS 試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.